矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

寇 靜

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁工程系，四川成都 610031)

矮塔斜拉橋是一種介于連續(xù)梁橋和斜拉橋之間的橋型，兼有連續(xù)梁橋與斜拉橋的優(yōu)點，且其橋塔剛度較大，橋面連續(xù)影響小，適用于多孔斜拉橋，在100～300 m跨徑范圍內(nèi)極具競爭力[1-2]。對矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，不同的參數(shù)變化對橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)的影響程度不同，由此可確定哪些參數(shù)為主要敏感性參數(shù)，哪些參數(shù)為次要敏感性參數(shù)。因此，本文以某矮塔斜拉橋為工程背景，建立空間有限元模型，選取主梁混凝土容重、主梁彈性模量、斜拉索彈性模量、主梁預(yù)應(yīng)力荷載等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)的敏感性分析，為同類橋梁的施工控制提供參考。

1 工程背景及有限元模型

1.1 工程概況

某雙塔單索面矮塔斜拉橋，主橋布置為(136+240+136) m，結(jié)構(gòu)體系為塔、墩、梁固結(jié)體系(圖1)。主梁為單箱三室斜腹板變截面混凝土箱梁，根部梁高8.2 m，端部等截面段梁高為4 m，梁高按二次拋物線變化。主梁采用三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，設(shè)有縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力，分別布置在主梁內(nèi)、橫隔板內(nèi)、腹板內(nèi)。橋塔采用等截面矩形實心斷面，橋面以上塔高44 m，布置在中央分隔帶上，并與箱梁固結(jié)。斜拉索為單索面、雙排布置在中央分隔帶上，全橋共采用4×12對斜拉索。

圖1 橋型立面布置(單位：cm)

1.2 有限元模型

采用有限元軟件Midas/Civil 建立該橋有限元模型(圖2)，全橋共離散為2 213個節(jié)點，1 466個單元。主梁、橋塔和橋墩采用六向自由度的空間梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。

圖2 有限元模型

1.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)及其變化幅值

本文研究的結(jié)構(gòu)參數(shù)為主梁混凝土容重、主梁彈性模量、斜拉索彈性模量、主梁預(yù)應(yīng)力荷載，其設(shè)計值與變化幅值見表1。在忽略收縮徐變的影響的前提下，結(jié)構(gòu)參數(shù)在增加或減少相同的變化幅值時，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的同一靜力響應(yīng)的變化量數(shù)值幾乎相同，符號相反，因此本文只討論結(jié)構(gòu)參數(shù)在設(shè)計值基礎(chǔ)上增加的情況。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計值與其變化幅值

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

2.1 主梁混凝土容重

混凝土梁段在澆筑過程中混凝土容重會產(chǎn)生一定誤差，也可能由于混凝土超方、模板變形等原因使其截面尺寸產(chǎn)生一定誤差。在結(jié)構(gòu)敏感性分析時，通常不考慮截面尺寸的影響，而將這些誤差全部轉(zhuǎn)化為混凝土容重的變化[3-4]。主梁混凝土容重的變化對成橋狀態(tài)主梁線形、斜拉索索力、主梁應(yīng)力的影響見圖3～圖5。

圖3 混凝土容重變化時主梁線形變化

圖4 混凝土容重變化時斜拉索索力變化

圖5 混凝土容重變化時主梁應(yīng)力變化

從圖3～圖5可以看出:主梁線形變化較大，最大絕對值為46.41 mm，位于邊跨1/3位置，中跨跨中附近主梁線形變化也較大；斜拉索索力變化較大的是第4～6對斜拉索，最大絕對值為298.85 kN，遠(yuǎn)離橋塔的斜拉索索力變化相對較小；主梁應(yīng)力變化最大絕對值為2.73 MPa，位于橋塔附近，中跨跨中處主梁應(yīng)力變化較小。

2.2 主梁預(yù)應(yīng)力荷載

在張拉主梁預(yù)應(yīng)力鋼束時，預(yù)應(yīng)力的大小受張拉設(shè)備、錨固設(shè)備、管道的摩擦力以及預(yù)應(yīng)力筋彈性模量等因素的影響，因此其大小與設(shè)計值往往存在偏差[5]。主梁預(yù)應(yīng)力荷載的變化對成橋狀態(tài)主梁線形、斜拉索索力、主梁應(yīng)力的影響見圖6～圖8。

圖6 預(yù)應(yīng)力荷載變化時主梁線形變化

圖7 預(yù)應(yīng)力荷載變化時斜拉索索力變化

圖8 預(yù)應(yīng)力荷載變化時主梁應(yīng)力變化

從圖6～圖8可以看出:主梁線形變化最大絕對值為10.22 mm，位于中跨跨中附近，邊跨1/3位置處主梁線形變化也較大；斜拉索索力變化最大絕對值為68.34 kN，為邊跨最長索，遠(yuǎn)離橋塔的斜拉索索力變化相對較大；主梁應(yīng)力變化最大絕對值為1.80 MPa，橋塔附近主梁上緣應(yīng)力變化較大，中跨跨中及靠近過渡墩處主梁下緣應(yīng)力變化較大。

2.3 主梁彈性模量

實際施工過程中混凝土的彈性模量通常與設(shè)計值存在偏差，主梁彈性模量的變化對成橋狀態(tài)主梁線形、斜拉索索力、主梁應(yīng)力的影響見圖9～圖11。

圖9 主梁彈性模量變化時主梁線形變化

圖10 主梁彈性模量變化時斜拉索索力變化

圖11 主梁彈性模量變化時主梁應(yīng)力變化

從圖9～圖11可以看出:主梁線形變化最大絕對值為6.93 mm，位于中跨跨中附近，邊跨1/3位置處主梁線形變化也較大；斜拉索索力變化較大的是第7～9對斜拉索，最大絕對值為36.62 kN；主梁應(yīng)力變化均較小，最大絕對值為0.2 MPa。

2.4 斜拉索彈性模量

實際施工過程中斜拉索的彈性模量一般也與設(shè)計值存在偏差，斜拉索彈性模量的變化對成橋狀態(tài)主梁線形、斜拉索索力、主梁應(yīng)力的影響見圖12～圖14。

圖12 拉索彈性模量變化時主梁線形變化

圖13 拉索彈性模量變化時斜拉索索力變化

圖14 拉索彈性模量變化時主梁應(yīng)力變化

從圖12～圖14可以看出:主梁線形變化較小，最大絕對值為3.45 mm，位于中跨跨中附近；斜拉索索力變化較大的是第7～9對斜拉索，最大絕對值為39.95 kN；主梁應(yīng)力變化均較小，最大絕對值為0.13 MPa。

2.5 各控制目標(biāo)的參數(shù)敏感程度分析

綜合上述各結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性分析結(jié)果，將各參數(shù)變化引起的各控制目標(biāo)變化量最大絕對值匯總，其結(jié)果見表2。

從表2可以看出：對成橋狀態(tài)主梁線形、斜拉索索力、主梁應(yīng)力影響最大的參數(shù)均為主梁混凝土容重。主梁混凝土容重、預(yù)應(yīng)力荷載對各控制目標(biāo)影響較大，為主要敏感性參數(shù)；主梁彈性模量、斜拉索彈性模量對各控制目標(biāo)影響較小，為次要敏感性參數(shù)。

3 結(jié)論

本文以某矮塔斜拉橋為研究對象，以成橋狀態(tài)主梁線形、斜拉索索力、主梁應(yīng)力等結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)為控制目標(biāo)，對主梁混凝土容重、主梁彈性模量、斜拉索彈性模量、主梁預(yù)應(yīng)力荷載等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果表明：

(1)對于成橋狀態(tài)主梁線形、斜拉索索力、主梁應(yīng)力等結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)，主梁混凝土容重、預(yù)應(yīng)力荷載為主要敏感性參數(shù)，主梁彈性模量、斜拉索彈性模量為次要敏感性參數(shù)。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)變化引起的各控制目標(biāo)最大變化量

(2)在施工控制中，需嚴(yán)格控制主梁混凝土容重，盡量減小混凝土超方、模板變形導(dǎo)致的截面尺寸誤差，嚴(yán)格控制主梁預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉，減小實測值與設(shè)計值之間的偏差。

(3)本文橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析結(jié)果可為該橋的計算模型優(yōu)化及誤差調(diào)整提供依據(jù)，同時也可為同類橋梁施工控制提供參考。